Neural computation of space and time addressed by electrophysiology in vivo
A major goal for 21st century neuroscience is to understand neural computation in high-end association cortices. This is challenging because neural codes in these systems are multiplexed and intermixed. A rare exception is the spatial-representation system of the hippocampal and entorhinal cortices. In these regions, neural firing correlates are so evident that cells have been given simple, descriptive names, such as place cells, grid cells, head direction cells, and border cells. The presence of functionally dedicated cell types opens a window for studies aiming to identify computational algorithms at the peak of the cortical hierarchy. Taking advantage of this opportunity, we have uncovered many of the functional elements of spatial computation, at the nuts-and-bolts level. However, how the firing patterns are generated, integrated and read out is poorly understood. Since such processes likely take place in distributed neural circuits, we need parallel data from many hundreds of entorhinal-hippocampal cells, of multiple categories, to decipher mechanisms. The aim of the research program for which we seek approval with the present application, is to introduce new recording tools to obtain simultaneous single-cell-resolution activity data from up to 1,000 entorhinal-hippocampal neurons in freely behaving rodents, and to use these tools to understand local-circuit mechanisms of pattern formation and pattern organization. The tools can also be applied to developmental studies. The proposed studies will pioneer our understanding of neural-circuit computation in non-sensory association cortices. Because representation of spatial location has appeared as one of the first cognitive functions to be understood in mechanistic detail, the project opens possibilities for understanding general principles of computation in cortical microcircuits, which we see as a prerequisite for comprehending and treating any disease that affects the brain – along the entire spectrum of neurological and psychiatric diseases, but with Alzheimer´s disease as a prime example, given the early damage of hippocampal and entorhinal systems in this disease.
The project is an extension of past applications (most recently project 7163 from 2014) but introduces state-of-the-art electrophysiology techniques for collecting parallel data from hundreds of labelled neurons simultaneously, an achievement that we expect will put us on the track of some of the core mechanisms of brain computation. All major new technologies have been piloted and are already covered by approved ongoing FOTS projects.
We expect to use 1,080 rats and 2,880 mice over a period of 4 years. The animals will receive implants of ultrathin electrodes (voltage sensors) or silicone probes for recording electrical activity in the hippocampus or cortex of the brain, using previously approved fast-recovery anaesthesia and anaelgesia protocols. Wireless systems are also tested. Over the subsequent weeks, activity is recorded while animals rest or search for food rewards, with minimal food deprivation. No pain or discomfort is expected during behavioural testing; discomfort would be detectable instantly from the animal's behaviour. Numbers of animals are reduced by recording as many cells as possible at the same time. Animals are housed in enriched environments and receive daily handling. Experiments are supplemented by computational modelling in order to minimize needs for experiment and maximize conceptual steps for each experiment.
The project is an extension of past applications (most recently project 7163 from 2014) but introduces state-of-the-art electrophysiology techniques for collecting parallel data from hundreds of labelled neurons simultaneously, an achievement that we expect will put us on the track of some of the core mechanisms of brain computation. All major new technologies have been piloted and are already covered by approved ongoing FOTS projects.
We expect to use 1,080 rats and 2,880 mice over a period of 4 years. The animals will receive implants of ultrathin electrodes (voltage sensors) or silicone probes for recording electrical activity in the hippocampus or cortex of the brain, using previously approved fast-recovery anaesthesia and anaelgesia protocols. Wireless systems are also tested. Over the subsequent weeks, activity is recorded while animals rest or search for food rewards, with minimal food deprivation. No pain or discomfort is expected during behavioural testing; discomfort would be detectable instantly from the animal's behaviour. Numbers of animals are reduced by recording as many cells as possible at the same time. Animals are housed in enriched environments and receive daily handling. Experiments are supplemented by computational modelling in order to minimize needs for experiment and maximize conceptual steps for each experiment.
Etterevaluering
Mattilsynet har i den senere tid hatt økt fokus på mulig raffinering ved bruk av intrakraniale implantater i dyreforsøk. Vi er derfor glade for denne endringssøknaden som vi oppfatter som en mulighet til å bedre både dyrevelferden og forsøksresultatene. Det er i endringssøknaden også beskrevet at implantatet beskyttes med en «hette» når rottene er i buret. Vi mener at dette kan muliggjøre gruppevis/ parvis oppstalling også etter kirurgisk implantering, og vi vil oppfordre til at dette aspektet tas med i uttestingen på et tidspunkt. Vi vil gjerne ha informasjon om resultatene og har derfor satt som vilkår for tillatelsen at søker skal sende inn dokumentasjon som gjør det mulig for oss å evaluere
Begrunnelse for etterevalueringen
Mattilsynet godkjente 20/8-2020 en endringssøknad til FOTS id 18011 som opprinnelig ble godkjent 1.11.2018. Forsøket benytter intrakraniale elektroder for avlesning av elektrisk aktivitet i hippocampus og cortex.
Søkeren ønsket å teste ut en ny type trådløst implantat, som gir dyrene full bevegelighet under opptak.
Bruk av trådløse implantater kan bedre både resultatene og dyrevelferden.
Endringen ble testet ut på 6 rotter og medførte ingen økning av antall dyr i prosjektet. Bestemmelsen om etterevaluering gjaldt bare denne delen av forsøksprosjektet.
Implantatet har relativ liten vekt, men under testing/ opptak blir implantatet koblet på med batteri og sender, noe som øker vekten midlertidig.
Siden søknaden ble sendt og innvilget, har utviklingen av prober for elektrofysiologisk registrering gått med stormskritt. Det er utviklet nye Neuropixels-prober som samler data fra tusenvis av celler samtidig (i motsetning til en håndfull tidligere), og disse probene har en tidel av vekten til flere av de tidligere probene, slik at rotter og mus kan springe rundt med dem uten belastning.
Tilsvarende utvikling har ennå ikke skjedd for trådløse prober, og forskergruppen har derfor lagt disse på is inntil miniatyriserte løsninger blir tilgjengelige der også.
Miniatyriserte prober vil trolig bli tilgjengelige i løpet av noen få år - de vil snart bli kombinert med de ultralette probene (trådløse varianter er fremdeles basert på de større implantatene), men det vil nok ennå ta noen år før batterivekten er miniatyrisert i samme grad.
Overgangen fra trådløse implantater med vekt på cirka 20 gram (inkludert batterier) til miniatyriserte 1-grams implantater med tråd (tilkobling under forsøk) har vesentlig forbedret livskvaliteten for forsøksdyrene, til tross for fortsatt bruk av kabel.
1-grams-implantatene sitter lavt på hodet og er mye lettere å bære enn tidligere versjoner av prober.
Forskergruppen har gode metoder for kontrabalansering av kabelen, og kabelen er svært lett og fleksibel, så dyrene kan bevege seg med så godt som samme frihet som uten implantater.
Implantatet er tildekket av en plastkappe utenfor forsøkssituasjonen.
Forskergruppen arbeider med metoder for å oppstalle implanterte forsøksdyr i grupper uten at de ødelegger implantatene for hverandre, men disse metodene ble ikke brukt for dyr med trådløse implantater.
I tillegg til radikalt lettere trådbaserte implantater har en gevinst ved skiftet til slike implantater vært en vesentlig vekst i antall celler som kunne måles fra samme dyr (ca 100 ganger mer enn før), hvilket i sin tur reduserer antall forsøksdyr.
Prosjektet gjorde det mulig å identifisere nevrale kart for store miljøer i rotter som beveget seg fritt i en 4x4 meter boks.
Men vekten på det trådløse implantatet var for stor til at forskergruppen fant det riktig å fortsette med dette i sin nåværende form (rottene blir slitne av å ha det på seg under lengre opptak i boksen). Dataene har likevel vært nyttige for to forskningsprosjekter med fokus på nevral koding i mediale entorhinal cortex.
De kortsiktige målene ble oppnådd, men som beskrevet ovenfor har forskergruppen valgt en bedre løsning etter at nye prober ble tilgjengelige i 2021-22 (denne gruppen er blant de første som tester ut de nye, ultralette probene).
6 rotter ble brukt i forsøket, som ble vurdert som moderat belastende.
Klassifiseringen som moderat ble gjort ut fra at rottene ble sosialisert før bruk og deretter gjennomgikk en kirurgisk prosedyre med implantering, som foregikk under anestesi og multimodal analgesi.
Oppvåkningen var uproblematisk og rottene ble brukt i opptaksøkter 1-2 måneder før avslutning og avliving.
Per i dag er belastningen minimalisert i forhold til hva som er teknisk mulig. Forskergruppen håper fremdeles på mindre, trådløse implantater slik at disse kan testes igjen.
Antall dyr har vært svært lavt og nær det minimum som kreves for publikasjon og generell aksept av konklusjonene.
Søkeren ønsket å teste ut en ny type trådløst implantat, som gir dyrene full bevegelighet under opptak.
Bruk av trådløse implantater kan bedre både resultatene og dyrevelferden.
Endringen ble testet ut på 6 rotter og medførte ingen økning av antall dyr i prosjektet. Bestemmelsen om etterevaluering gjaldt bare denne delen av forsøksprosjektet.
Implantatet har relativ liten vekt, men under testing/ opptak blir implantatet koblet på med batteri og sender, noe som øker vekten midlertidig.
Siden søknaden ble sendt og innvilget, har utviklingen av prober for elektrofysiologisk registrering gått med stormskritt. Det er utviklet nye Neuropixels-prober som samler data fra tusenvis av celler samtidig (i motsetning til en håndfull tidligere), og disse probene har en tidel av vekten til flere av de tidligere probene, slik at rotter og mus kan springe rundt med dem uten belastning.
Tilsvarende utvikling har ennå ikke skjedd for trådløse prober, og forskergruppen har derfor lagt disse på is inntil miniatyriserte løsninger blir tilgjengelige der også.
Miniatyriserte prober vil trolig bli tilgjengelige i løpet av noen få år - de vil snart bli kombinert med de ultralette probene (trådløse varianter er fremdeles basert på de større implantatene), men det vil nok ennå ta noen år før batterivekten er miniatyrisert i samme grad.
Overgangen fra trådløse implantater med vekt på cirka 20 gram (inkludert batterier) til miniatyriserte 1-grams implantater med tråd (tilkobling under forsøk) har vesentlig forbedret livskvaliteten for forsøksdyrene, til tross for fortsatt bruk av kabel.
1-grams-implantatene sitter lavt på hodet og er mye lettere å bære enn tidligere versjoner av prober.
Forskergruppen har gode metoder for kontrabalansering av kabelen, og kabelen er svært lett og fleksibel, så dyrene kan bevege seg med så godt som samme frihet som uten implantater.
Implantatet er tildekket av en plastkappe utenfor forsøkssituasjonen.
Forskergruppen arbeider med metoder for å oppstalle implanterte forsøksdyr i grupper uten at de ødelegger implantatene for hverandre, men disse metodene ble ikke brukt for dyr med trådløse implantater.
I tillegg til radikalt lettere trådbaserte implantater har en gevinst ved skiftet til slike implantater vært en vesentlig vekst i antall celler som kunne måles fra samme dyr (ca 100 ganger mer enn før), hvilket i sin tur reduserer antall forsøksdyr.
Prosjektet gjorde det mulig å identifisere nevrale kart for store miljøer i rotter som beveget seg fritt i en 4x4 meter boks.
Men vekten på det trådløse implantatet var for stor til at forskergruppen fant det riktig å fortsette med dette i sin nåværende form (rottene blir slitne av å ha det på seg under lengre opptak i boksen). Dataene har likevel vært nyttige for to forskningsprosjekter med fokus på nevral koding i mediale entorhinal cortex.
De kortsiktige målene ble oppnådd, men som beskrevet ovenfor har forskergruppen valgt en bedre løsning etter at nye prober ble tilgjengelige i 2021-22 (denne gruppen er blant de første som tester ut de nye, ultralette probene).
6 rotter ble brukt i forsøket, som ble vurdert som moderat belastende.
Klassifiseringen som moderat ble gjort ut fra at rottene ble sosialisert før bruk og deretter gjennomgikk en kirurgisk prosedyre med implantering, som foregikk under anestesi og multimodal analgesi.
Oppvåkningen var uproblematisk og rottene ble brukt i opptaksøkter 1-2 måneder før avslutning og avliving.
Per i dag er belastningen minimalisert i forhold til hva som er teknisk mulig. Forskergruppen håper fremdeles på mindre, trådløse implantater slik at disse kan testes igjen.
Antall dyr har vært svært lavt og nær det minimum som kreves for publikasjon og generell aksept av konklusjonene.